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Welle Teilchen Dualismus

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Welle Teilchen Dualismus

An was denkst Du, wenn Du dir Wellen oder Teilchen vorstellst? Vielleicht denkst Du bei Teilchen an winzige Stücke Materie wie kleine Kugeln aus denen das Universum aufgebaut ist. Bei Wellen kommen dir vielleicht Wasser- oder Schallwellen in den Sinn.

Im Alltag sind die Phänomene Welle und Teilchen streng voneinander abgegrenzt, doch in der Welt der Quanten verschwimmt diese Grenze. Der sogenannte Welle Teilchen Dualismus bildet eine der wichtigsten Grundlagen der Quantenmechanik.

Welle Teilchen Dualismus Licht

Was ist Licht? Seit der Antike beschäftigten sich Philosophen und Naturwissenschaftler gleichermaßen mit dieser Frage. Licht scheint ein Paradoxon in sich zu tragen. Wir sehen alles um uns herum nur durch die Anwesenheit von Licht, doch Licht an sich können wir nicht sehen.

Wie passend, dass gerade die Epoche der Aufklärung im 17. und 18. Jahrhundert versuchte, Licht ins Dunkle dieser Frage zu bringen.

Die Epoche der Aufklärung heißt im englischen Enlightenment, zu deutsch Erhellung. In dieser Zeit wurde die Metapher des Lichts als Symbol für Erkenntnis und Fortschritt verwendet.

Während die ersten Gelehrten damit begannen, die Natur des Lichts zu beschreiben, entwickelten sich beinahe zeitgleich sich zwei gegenläufige Theorien.

Licht als Teilchen

Eine Theorie kam von dem berühmten Gelehrten Isaac Newton in Form der sogenannten Korpuskeltheorie.

Korpuskel sind wie kleine Teilchen, die sich mit sehr hoher Geschwindigkeit bewegen. Damit konnte Newton optische Phänomene des Lichts wie zum Beispiel dessen geradlinige Ausbreitung, sowie Reflexion an einem Medium erklären:

Lichtkorpuskel bewegen sich ausgehend von einer Lichtquelle wie ein Strahl auf ein Medium (z.B. einen Spiegel) zu und werden von diesem reflektiert. Der Einfallswinkel entspricht dem Ausfallswinkel .

Mehr dazu findest Du im Artikel Reflexion!

Vor allem aufgrund von Newtons Autorität setzte sich zunächst diese Theorie des Lichts durch, doch sie bedurfte komplizierter Hilfsmodelle, um verschiedenste andere Eigenschaften des Lichts zu erklären. Deshalb entwickelte sich eine alternative Hypothese zur Korpuskeltheorie.

Licht als Welle

Der Physiker Christian Huygens beschrieb Licht dagegen als eine Welle und wurde zum Begründer der Wellenoptik. Damit konnten später auch Phänomene wie Beugung und Interferenz von Licht an einem Hindernis erklärt werden.

Interferenz bezeichnest Du als die Überlagerung von zwei oder mehr Wellen, sodass sich ihre Amplituden addieren. Du unterscheidest zwei Arten der Interferenz: konstruktiv und destruktiv.

Bei konstruktiver Interferenz überlagern sich die Maxima verschiedener Wellen und verstärken sich gegenseitig. Bei destruktiver Interferenz überlagern sich jeweils Maxima und Minima verschiedener Wellen, sodass diese sich gegenseitig abschwächen oder sogar auslöschen.

Mehr zum huygensschen Prinzip, der Interferenz und der Beugung kannst Du in den entsprechenden Artikeln lesen.

Die folgende Abbildung zeigt Dir die Ausbreitung von Licht nach der Modellvorstellung einer Welle. Die Lichtwelle stößt auf ein Hindernis und wird an den Spalten im Hindernis gebeugt. Diese Beugung ist Ausgangspunkt für neue Elementarwellen (huygenssches Prinzip), welche anschließend miteinander interferieren.

Auch durch die Arbeit von James Maxwell zum Elektromagnetismus setzte sich im Laufe des 19. Jahrhunderts diese Vorstellung von Licht als einer Welle durch.

Bis zu Beginn des 20. Jahrhunderts standen sich also zwei Hypothesen über die Natur des Lichts gegenüber. Beide Hypothesen konnten einen Teil des Verhaltens von Licht erklären, jedoch mangelte es beiden gleichermaßen Puzzlestücke zu einem vollständigen Bild des Lichts. Gleichzeitig schienen beide Positionen unvereinbar.

Welle Teilchen Dualismus Experiment

Wie so häufig in der Physik, wenn sich zwei Theorien gegenüberstehen, helfen Experimente dabei, dem Rätsel auf den Grund zu gehen. Drei wesentliche Experimente trugen dazu bei, die Natur des Lichts besser zu verstehen: der Photoeffekt, der Compton Effekt und das Doppelspaltexperiment.

Photoelektrischer Effekt

Mit seinen Arbeiten zum Photoelektrischen Effekt (kurz Photoeffekt) kam Albert Einstein 1905 der Lösung des Problems ein Stück näher. Etwas später erhielt er dafür den Physik-Nobelpreis.

Beim photoelektrischen Effekt trifft Licht auf eine Metallplatte und löst dadurch Elektronen aus ihr heraus.

Diese Elektronen bewegen sich dann mit einer gewissen kinetischen Energie von der Metallplatte weg. Die kinetische Energie hängt dabei von der Frequenz des Lichts, jedoch nicht von dessen Intensität (Menge an Licht) ab. Diese Beobachtung konnte mit der Theorie des Lichts als eine Welle nicht erklärt werden.

Dies ist der sogenannte äußere Photoeffekt. Daneben gibt es auch einen inneren Photoeffekt, der zum Beispiel für Solarenergie verwendet wird. Mehr zu beiden Effekten findest Du im entsprechenden Artikel.

Einstein erklärte das Phänomen mit seiner Lichtquantenhypothese, die auf den Arbeiten von Max Planck aufbaute.

Die von Einstein postulierte Lichtquantenhypothese besagt, dass Licht aus kleinen diskreten Einheiten elektromagnetischer Strahlung besteht, den sogenannten Lichtquanten. Die Energie der Lichtquanten berechnest Du aus dem Produkt ihrer Frequenz f und dem planckschen Wirkungsquantum h:

Welle Teilchen Dualismus Energie StudySmarter

Das planckschen Wirkungsquantum ist eine Konstante mit dem Wert

Alles zum planckschen Wirkungsquantum findest Du im gleichnamigen Artikel.

Die Energie des Lichts ist also nicht kontinuierlich, sondern kann nur bestimmte (diskrete) Werte annehmen. Diese Werte sind ein Vielfaches des planckschen Wirkungsquantums. Du sprichst davon, dass Licht gequantelt ist.

Um ein Elektron aus der Metallplatte zu lösen, braucht es einen bestimmten Energiebetrag (die sogenannte Austrittsarbeit). Die Lichtquanten (auch Photonen) treffen also auf die Platte und geben ihre Energie an die Elektronen ab. Ist diese hoch genug, lösen sich die Elektronen aus der Platte. Ist die Energie größer als die Austrittsarbeit, wird die restliche Energie in kinetische Energie der Elektronen umgewandelt.

Damit kannst Du also erklären, warum die kinetische Energie der Elektronen von der Frequenz abhängt. Je höher die Frequenz des Lichts, desto mehr Energie kann es an die Elektronen abgeben.

Diese Lichtquanten werden meistens als "Wellen-Pakete" dargestellt, wie Du auch auf der obigen Abbildung erkennen kannst. Nach Einstein ist Licht also eine diskrete Einheit (wie ein Teilchen), doch besteht aus elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz (wie eine Welle). Licht scheint also beide Eigenschaften zu vereinbaren.

Der Compton Effekt

Einsteins Lichtquantenhypothese wurde anfangs stark angezweifelt, schließlich widerspricht sie jeglicher Alltagserfahrung. Doch mit Hilfe eines Streuungsexperiments (Abbildung), konnte Arthur Compton 1927 Einsteins Theorie bestätigen.

Beim sogenannten Compton Effekt (Abbildung 5) schießt Du ein Photon auf ein Elektron, wodurch dieses von seiner geradlinigen Bahn abgelenkt wird. Anschließend hat das gestreute Photon eine größere Wellenlänge als vor dem Stoß.

Das liegt daran, dass das Photon einen Teil seiner Energie an das Elektron abgibt und je kleiner die Energie eines Photons ist, desto größer ist seine Wellenlänge. Damit verhält sich Licht wie ein Teilchen bei einem elastischen Stoß, jedoch besitzt es gleichzeitig eine zuordbare Wellenlänge.

Mehr zum Compton-Effekt erfährst Du im gleichnamigen Artikel.

Das Doppelspaltexperiment

Der Photoeffekt und der Compton Effekt weisen also beide darauf hin, dass weder Teilchen- noch Wellenmodell das Phänomen des Lichts vollständig erklären können. Stattdessen scheint Licht beide Eigenschaften zu besitzen. Doch das wohl wichtigste Experiment dazu ist das Doppelspaltexperiment.

Doppelspaltexperiment Aufbau

Im Experiment strahlst Du mit einer monochromatischen (einfarbigen) Lichtquelle auf einen Detektorschirm. Zwischen Quelle und Detektor befindet sich eine Trennwand mit zwei Spalten. Die Anordnung siehst Du auf der folgenden Abbildung:

Wenn Licht ein Teilchen wäre, würde sich auf dem Schirm ein Muster aus zwei parallelen Streifen bilden, die jeweils aus kleinen Pünktchen (Abbildung 6, rechts oben) bestehen. Wenn Licht eine Welle wäre, dann würde sich ein Interferenzmuster (Abbildung 6, rechts unten) bilden.

Doppelspaltexperiment Beobachtung

Nimmst Du als Lichtquelle einen Laser, der gleichzeitig sehr viele Photonen (hohe Intensität) in Richtung Trennwand strahlt, so erhältst Du nach kürzester Zeit das klassische Interferenzmuster einer Welle. Als Thomas Young 1802 das Experiment erstmals so durchführte, wurde dies als Beweis für den Wellencharakter des Lichts gesehen.

Doch eine Abwandlung des Experiments bestätigt, was bereits Einstein und Compton vermuteten. Dafür nimmst Du eine Lichtquelle, die einzelne Photonen (Licht mit sehr niedriger Intensität) emittiert. Dabei registriert der Detektor einzelne Photonen als kleine Punkte auf dem Schirm - also wie Teilchen.

Führst Du das Experiment lange genug durch, wirst Du beobachten können, wie schließlich ein Interferenzmuster aufbaut. Jedoch besteht dieses Interferenzmuster aus einzelnen Punkten, dort wo die Photonen aufgetroffen sind. Photonen verhalten sich also gleichzeitig wie Wellen und Teilchen!

Genaueres zum Doppelspaltexperiment kannst Du im entsprechenden Artikel nachlesen!

Welle Teilchen Dualismus einfach erklärt

Zu einem gewissen Grad hängt es also davon ab, wie Du Dein Experiment durchführst, ob eher die Wellen- oder die Teilcheneigenschaften des Lichts zum Vorschein kommen. Das hast Du zum Beispiel am Doppelspaltexperiment gesehen: das Muster auf dem Schirm hängt von der Intensität des Lichts ab.

Albert Einstein und Leopold Infeld formulierte diesen Umstand folgendermaßen:

It seems as though we must use sometimes the one theory and sometimes the other, while at times we may use either. We are faced with a new kind of difficulty. We have two contradictory pictures of reality; separately neither of them fully explains the phenomena of light, but together they do.1

"Es scheint, als müssten wir manchmal die eine Theorie, manchmal die Andere verwenden, während wir zeitweise beide nutzen. Wir sehen uns einer neuen Schwierigkeit gegenüber. Wir haben zwei widersprüchliche Bilder der Realität; getrennt beschreibt keine der Beiden das Phänomen des Lichts, aber gemeinsam tun sie es."

Diese doppelten Eigenschaften des Lichts bezeichnest Du als Welle Teilchen Dualismus.

Welle Teilchen Dualismus Definition

In unserer Alltagswelt scheinen Teilchen und Wellen zwei sich gegenseitig ausschließende Phänomene zu sein. Doch in der Welt der Quantenmechanik löst sich diese Grenze auf.

Unter dem Welle Teilchen Dualismus verstehst Du das Phänomen, dass Quantenobjekte sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzen.

Als Quantenobjekt bezeichnest Du allgemein ein Objekt des Mikrokosmos, welches die charakteristischen Eigenschaften der Quantenmechanik erfüllt. Der Begriff wurde eingeführt, um deutlich zu machen, dass diese Quanten Wellen- und Teilchencharakter besitzen.

Die Debatte des Welle Teilchen Dualismus begann mit der Frage nach der Natur des Lichts und führte zu einem der Grundsteine der Quantenphysik. Doch dieses Prinzip gilt nicht allein für Licht, wie der Physiker Louis de Broglie in seiner bekannten Formel zu den Materiewellen festhielt.

Welle Teilchen Dualismus Formel

Licht wurde einst als Welle angesehen, bis Physiker*innen feststellten, dass Licht genauso Teilcheneigenschaften besitzt. Dieses Phänomen beschäftigte den französischen Physiker Louis de Broglie. Er fragte sich, ob umgekehrt klassische Teilchen wie das Elektron auch Welleneigenschaften besitzen können.

In seiner Doktorarbeit stellte er eine Formel für die sogenannte de Broglie Wellenlänge der Materieteilchen auf. Dabei postulierte er, dass der Welle Teilchen Dualismus auf alle Materie im Universum übertragbar ist.

Die de Broglie Wellenlänge beschreibt den Wellencharakter von klassischer Materie. Du berechnest sie aus dem Quotienten des planckschen Wirkungsquantums h und dem Impuls p:

Welle Teilchen Dualismus de Broglie StudySmarter

Wenn dich der Wellencharakter von Materie interessiert, kannst Du mehr dazu im Artikel zur de Broglie Wellenlänge lesen.

Der Welle Teilchen Dualismus gilt also nicht nur für Licht, sondern genauso für jegliche bekannte Teilchen der Materie. Du sprichst manchmal auch von Materiewellen.

Der Begriff Materiewellen ist etwas irreführend, weil er das Bild von Materie als Wellen erschafft. Tatsächlich bedeutet der Begriff aber, dass Materie aus Quanten besteht, die sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften aufweisen.

Inzwischen wurde der Wellencharakter sogar für große Moleküle (Gebilde aus mehreren Atomen) nachgewiesen. Doch warum merken wir nichts von diesem Wellencharakter der Materie und nehmen diese generell als Teilchen wahr?

Das liegt vor allem daran, dass die Wellenlänge mit zunehmender Masse abnimmt. Sie wird so klein, dass wir sie nicht mehr wahrnehmen können.

Je massereicher ein Objekt, desto größer sein Impuls. Das ergibt sich aus der klassischen Formel für den Impuls:

Da der Impuls im Nenner der de Broglie Gleichung steht und im Zähler die Planck-Konstante als winzig kleiner Wert, wird die Wellenlänge unfassbar klein. Bereits die Masse eines Atoms so groß, dass der Wellencharakter kaum zum Vorschein kommt.

Die de Broglie Wellenlänge lässt sich am besten am Beispiel des Elektrons veranschaulichen.

Wellen Teilchen Dualismus Elektron

Elektronen sind winzig kleine Teilchen, ihre quantenmechanische Doppelnatur kommt also besser zum Vorschein als bei anderen Bausteinen der Materie, wie zum Beispiel den viel größeren Protonen (ein Proton ist rund 1836 Mal massereicher als ein Elektron).

Welle Teilchen Dualismus Beispiel

Doch wie groß genau ist die Wellenlänge eines Elektrons? Dies kannst Du zum Beispiel mit Hilfe des Fadenstrahlrohrs berechnen. Dabei handelt es sich um ein Versuchsgerät, das Elektronen mit Hilfe einer Spannung auf kreisförmige Bahnen beschleunigt. Mehr dazu im gleichnamigen Artikel!

Aufgabe

In einem Fadenstrahlrohr werden Elektronen der Masse und der Elementarladung mit einer Spannung von beschleunigt. Berechne die de Broglie Wellenlänge eines Elektrons.

Du kannst den Impuls aus kinetischer und elektrischer Energie ableiten.

Lösung

Werden Elektronen im Fadenstrahlrohr durch eine Spannung U beschleunigt, wird die zugeführte elektrische Energie in kinetische Energie (Bewegungsenergie) umgewandelt. Nach dem Energieerhaltungssatz kannst Du die beiden Energieformen gleichsetzen:

Der Impuls p berechnet sich aus dem Produkt der Masse m und der Geschwindigkeit v, also kannst Du die Gleichung nach den beiden Größen auflösen.

Nun kannst Du auf der rechten Seite den Impuls im Quadrat einsetzen und anschließend die Wurzel ziehen.

Das Ergebnis setzt Du nun in die de Broglie Gleichung ein.

Zuletzt setzt Du die Spannung U, sowie die Masse des Elektrons me und dessen Elementarladung ein und erhältst dessen Wellenlänge:

Zum Vergleich: Die Wellenlänge eines Photons in der Mitte des sichtbaren Spektrums (grünes Licht) hat eine Wellenlänge von . Die Wellenlänge eines Elektrons im Fadenstrahlrohr beträgt also nur ca. 4% der Wellenlänge von Photonen aus dem sichtbaren Bereich.

Mathematisch lässt sich also die Wellenlänge des Elektrons berechnen, doch auch experimentell lässt sich seine Doppelnatur beweisen. Dazu führst Du erneut das Doppelspaltexperiment durch, doch statt einzelner Photonen sendest Du mit einer Elektronenkanone einzelne Elektronen auf den Spalt.

Genau wie beim Photon wirst Du auch hier beobachten können, dass zunächst einzelne Teilchen am Detektorschirm registriert werden. Doch mit der Zeit bildet sich auch hier das charakteristische Interferenzmuster heraus. Genau wie für Photonen, gilt der Welle Teilchen Dualismus auch für Elektronen.

Welle Teilchen Dualismus Physik

In der klassischen Physik rechnest Du in der Regel mit so massereichen Objekten, dass der Welle Teilchen Dualismus keine Rolle mehr spielt. Die Wellenlänge solcher Objekte ist nämlich unvorstellbar klein. Es macht also Sinn, Teilchen und Wellen getrennt zu betrachten.

Doch in der Quantenphysik bestimmt der Welle Teilchen Dualismus das Verhalten der kleinsten bekannten Einheiten unseres Universums.

Wellenfunktion

Durch den Welle Teilchen Dualismus können alle Elementarteilchen durch eine Wellenfunktion bestimmt werden.Kombiniert mit der bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation ergibt sich dann eine Wahrscheinlichkeitsdichte, ein Elementarteilchen an einem bestimmten Ort im Raum zu finden.

Die bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation besagt, dass die Wahrscheinlichkeit, ein quantenmechanisches System in einem bestimmten Zustand vorzufinden, dem Betragsquadrat seiner Wellenfunktion entspricht.

Das bedeutet, dass es für jeden Ort in einem Raum eine gewisse Wahrscheinlichkeit gibt, das Quant dort vorzufinden: die sogenannte Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Die zeitliche Entwicklung dieser Aufenthaltswahrscheinlichkeit kannst Du über die Schrödingergleichung berechnen.

Alles zur Schrödingergleichung erfährst Du im gleichnamigen Artikel.

Heisenbergsche Unschärferelation

Nach der Heisenbergschen Unschärferelation kannst Du niemals gleichzeitig Ort und Impuls eines Quants beliebig exakt bestimmen. Diese Ungenauigkeit bei der Bestimmung der Eigenschaften wird oft Messfehlern zugeschrieben. Tatsächlich liegt es allerdings an dem Welle Teilchen Dualismus von Quantenobjekten.

In der Quantenmechanik berechnest Du den Impuls über die De Broglie Wellenlänge. Um den Impuls zu bestimmen, betrachtest Du also die Welleneigenschaften des Quants. Doch wie könntest Du den Ort einer Welle bestimmen? Den Ort erhältst Du also aus den Teilcheneigenschaften. Allerdings kannst Du dann keinen Impuls mehr über die Wellenlänge berechnen. Mehr dazu erfährst Du im Artikel zur Heisenbergschen Unschärferelation.

Welle Teilchen Dualismus - Das Wichtigste

  • Die von Newton postulierte Korpuskeltheorie besagt, dass Licht aus kleinen Teilchen, sogenannten Korpuskeln besteht. Diese breiten sich wie Strahlen geradlinig im Raum aus.
  • Die von Christian Huygens vorgeschlagene Theorie besagte, dass Licht eine Welle ist.
  • Interferenz ist die Überlagerung von Wellen, wodurch sich deren Amplituden verstärken (konstruktive Interferenz) oder abschwächen/auslöschen (destruktive Interferenz).
  • Beim Photoeffekt werden Elektronen durch Bestrahlung mit Licht aus einer Metallplatte gelöst. Die kinetische Energie der Elektronen ist abhängig von der Lichtfrequenz.
  • Die von Einstein postulierte Lichtquantenhypothese besagt, dass Licht aus kleinen diskreten Einheiten elektromagnetischer Strahlung besteht, den sogenannten Lichtquanten.
  • Die Energie der Lichtquanten berechnest Du aus dem Produkt ihrer Frequenz f und dem planckschen Wirkungsquantum h:

  • Beim Compton Effekt wird ein Photon an einem Elektron gestreut und gibt dabei einen Teil seiner Energie an das Elektron ab. Dadurch hat das Photon anschließend eine größere Wellenlänge.
  • Beim Doppelspaltexperiment schießt Du Quanten durch einen Doppelspalt und erhältst ein Muster auf dem Detektorschirm. Bei einzelnen Photonen ergibt sich ein Interferenzmuster aus kleinsten Punkten.
  • Unter dem Welle Teilchen Dualismus verstehst Du das Phänomen, dass Quantenobjekte sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzen.
  • Nach de Broglie besitzen alle Materieteilchen auch einen Wellencharakter. Die Wellenlänge von Materiewellen berechnest Du mit folgender Formel:

  • Die bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation besagt, dass die Wahrscheinlichkeit, ein quantenmechanisches System in einem bestimmten Zustand vorzufinden, dem Betragsquadrat seiner Wellenfunktion entspricht.
  • Nach der Heisenbergschen Unschärferelation kannst Du niemals gleichzeitig Ort und Impuls eines Quants beliebig exakt bestimmen. Diese Ungenauigkeit liegt an dem Welle Teilchen Dualismus von Quantenobjekten.

Nachweise

  1. Infeld; Einstein (1938). The Evolution of Physics. Cambridge University Press.
  2. spektrum.de: Welle-Teilchen-Dualismus. (23.05.2022)
  3. uni-tuebingen.de: Demonstration des Welle-Teilchen Dualismus von Licht. (23.05.2022)
  4. Baker (2013). 50 Schlüsselideen Quantenphysik. Springer Spektrum.
  5. Clegg (2015). Quantenphysik in 30 Sekunden. Libero.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Welle Teilchen Dualismus

Der Welle Teilchen Dualismus bedeutet, dass Quanten sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzen.

Licht verhält sich in bestimmten Fällen wie eine Welle, in anderen wie ein Teilchen. Dies hängt vor allem mit der Art der Messung zusammen.

Ein Teilchen kannst Du dir als ein Stück Materie vorstellen. Wellen sind dagegen Störungen oder Schwingungen in einem Medium

Dualismus bedeutet, dass zwei Eigenschaften parallel vorliegen. Der Welle Teilchen Dualismus bedeutet zum Beispiel, dass Quanten gleichzeitig Wellen- und Teilcheneigenschaften haben.

Finales Welle Teilchen Dualismus Quiz

Frage

Welche zwei konkurrierenden Thesen zur Natur des Lichts gab es vor der Entstehung der Quantenphysik?

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Die Korpuskeltheorie: Licht besteht aus kleinsten Teilchen.
  2. Die Wellentheorie: Licht breitet sich wie eine Welle im Raum aus.
Frage anzeigen

Frage

Welche Komponenten brauchst du für das klassische Doppelspaltexperiment?

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Monochromatisches Licht (z.B. einen Laser)
  2. Eine Trennwand mit zwei Spalten
  3. Einen Detektorschirm
Frage anzeigen

Frage

Vervollständige:

Der Abstand der Interferenzstreifen zueinander ist...


Antwort anzeigen

Antwort

direkt proportional zur Wellenlänge.

Frage anzeigen

Frage

Was ist der Photoelektrische Effekt?


Antwort anzeigen

Antwort

Als photoelektrischen Effekt (Photoeffekt) bezeichnest du die Ionisierung der Atome in einer Metallplatte durch die Bestrahlung mit Licht. Dadurch lösen sich die Elektronen von ihren Atomkernen

Frage anzeigen

Frage

Was ist der Wellen-Teilchen-Dualismus?


Antwort anzeigen

Antwort

Als Wellen-Teilchen-Dualismus bezeichnest du das quantenmechanische Phänomen, dass Quanten sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzen.

Frage anzeigen

Frage

Was besagt die Theorie der Wahrscheinlichkeitswelle?


Antwort anzeigen

Antwort

Die Theorie der Wahrscheinlichkeitswelle besagt, dass jedes Quant eine gewisse Aufenthaltswahrscheinlichkeit besitzt. 

Frage anzeigen

Frage

Ist Licht eine Welle oder ein Teilchen?


Antwort anzeigen

Antwort

Licht (und andere Quantenobjekte) besitzen eine Doppelnatur und weisen je nach Messung entweder Wellen- oder Teilcheneigenschaften auf.

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Frage

Was passiert, wenn du versuchst zu bestimmen,  welchen Spalt ein Photon nimmt?


Antwort anzeigen

Antwort

Auf dem Detektorschirm entsteht ein Muster wie wir es von Teilchen kennen. Das bezeichnest du auch als Kollaps der Wellenfunktion.

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Quantenobjekt?

Antwort anzeigen

Antwort

Quanten sind physikalische Objekte, die (je nach Messung) sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften besitzen. Sie besitzen eine Doppelnatur, die du auch als Wellen-Teilchen-Dualismus bezeichnest.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die de Broglie Wellenlänge?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Wellenlänge von Quanten 

Frage anzeigen

Frage

Mit welchen Experimenten lässt sich 

die De Broglie Wellenlänge beweisen?

Antwort anzeigen

Antwort

Doppelspaltexperiment

Frage anzeigen

Frage

Welches der folgenden Teilchen hat 

die kleinste de Broglie Wellenlänge?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Teilchen mit großer Masse und großer Geschwindigkeit

Frage anzeigen

Frage

Was ist die de Broglie Wellenlänge?


Antwort anzeigen

Antwort

Als de Broglie Wellen oder auch Materiewellen bezeichnest du das quantenmechanische Phänomen, dass die uns bekannte Materie nicht nur Teilchen-, sondern auch Welleneigenschaften  besitzt. Die Wellenlänge eines Materieteilchens hängt von seinem Impuls ab.

Frage anzeigen

Frage

Von welchen Größen hängt die de Broglie Wellenlänge ab?


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Antwort

Geschwindigkeit

Frage anzeigen

Frage

Wodurch entstehen die konzentrischen Kreise in der Elektronenbeugungsröhre?


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Antwort

Durch die konstruktive Interferenz 

der Wellenlängen der Elektronen.

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Frage

Erkläre, was Du allgemein unter dem Photoeffekt verstehst.

Antwort anzeigen

Antwort

Unter dem photoelektrischen Effekt (kurz: Photoeffekt) verstehst Du das Phänomen, dass Elektronen durch Absorption von Licht aus einem Atom oder Medium gelöst werden. Diese Elektronen bezeichnest Du als Photoelektronen.


Frage anzeigen

Frage

Gib an, was beim äußeren Photoeffekt passiert.

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Antwort

Der äußere Photoeffekt bezeichnet das Herauslösen von Elektronen aus einer Metalloberfläche durch die Bestrahlung mit Licht. Die Photoelektronen verlassen die Oberfläche mit einer gewissen kinetischen Energie Ekin.


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Frage

Beschreibe Einsteins Lichtquantenhypothese.

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Antwort

Unter der Lichtquantenhypothese verstehst Du die Idee, dass Licht aus kleinen diskreten Energiepaketen besteht: den Lichtquanten (Photonen).

Frage anzeigen

Frage

Erkläre kurz das Prinzip der Gegenfeldmethode.

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Antwort

  • Bei der Gegenfeldmethode wird mit einer Spannung U ein elektrisches Feld (Gegenfeld) zwischen Anode und Kathode angelegt. 
  • Die Energie des Gegenfelds wird erhöht bis keine Elektronen mehr die Anode erreichen.
  • Dadurch wird die kinetische Energie der Elektronen bestimmt.
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Frage

Nenne die 3 Arten des Photoeffekts.

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Antwort

Du kannst die folgenden 3 Varianten unterscheiden:

  • Innerer Photoeffekt
  • Äußerer Photoeffekt
  • Molekularer/ Atomarer Photoeffekt
Frage anzeigen

Frage

Beschreibe kurz den molekularen Photoeffekt.

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Antwort

Beim molekularen Photoeffekt (auch Photoionisation) übertragen hochenergetische Photonen ihre Energie an Elektronen, sodass diese das Atom verlassen können. Zurück bleibt ein positiv geladenes Ion.


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Frage

Erkläre kurz den inneren Photoeffekt.

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Antwort

Der innere Photoeffekt findet in Halbleitermaterialien statt. Dabei übertragen Photonen ihre Energie an Elektronen, wodurch diese vom Valenzband zum Leitungsband des Halbleitermaterials wechseln können.


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Frage

Gib die wichtigsten 4 Beobachtungen beim Experiment von Hallwachs für den äußeren Photoeffekt an

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Antwort

  1. Der Photoeffekt setzt unmittelbar nach Einschalten der Lichtquelle ein.
  2. Die Anzahl n der in der Zeit t herausgelösten Elektronen ist proportional zu der Intensität des Lichts.
  3. Die kinetische Energie Ekin der Elektronen hängt von der Frequenz f des Lichts ab.
  4. Unterhalb der Grenzfrequenz fG findet kein Photoeffekt statt
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Frage

Erkläre den Begriff Austrittsarbeit im Kontext des Photoeffekts.

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Antwort

Die Austrittsarbeit WA bezeichnet die Energie , die ein Elektron braucht, um ein Medium zu verlassen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wie Du erkennst, dass Elektronen beim äußeren Photoeffekt die Metallplatte verlassen haben.

Antwort anzeigen

Antwort

Die herausgelösten Elektronen werden von der Anode angezogen. Treffen sie dort auf, entsteht ein messbarer Strom: der sogenannte Photostrom. 

Frage anzeigen

Frage

Gib an, in welcher Technologie der Photoeffekt heute vor allem genutzt wird.

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Antwort

Der innere Photoeffekt wird heute vor allem in der Photovoltaik eingesetzt, um nachhaltige Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen.

Frage anzeigen

Frage

Nenne den Physiker, der erstmals den Photoeffekt vollständig erklären konnte.

Antwort anzeigen

Antwort

Albert Einstein 

Frage anzeigen

Frage

Nenne die drei wichtigsten Experimente oder Effekte, die den Welle-Teilchen-Dualismus belegen.

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Antwort

Doppelspaltversuch, Photoeffekt und Compton-Effekt.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre den Versuch, mit dem Du den Compton-Effekt beobachten kannst.


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Antwort

Streuversuch:

Du bestrahlst einen Streukörper aus Graphit mit Röntgenstrahlung. Die einfallende Strahlung wird am Streukörper elastisch gestreut. Dabei wechselwirkt jeweils ein Photon mit einem Elektron im Graphit und wird abgelenkt (gestreut). Mit dem Zählrohr werden die um einen Streuwinkel θ gestreuten Photonen detektiert und die Energie der gestreuten Photonen in Abhängigkeit vom Streuwinkel gemessen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, weshalb im Streuversuch nach Compton Graphit verwendet wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Es wird Graphit verwendet, weil eine geringe Austrittsarbeit benötigt wird, um die Elektronen zu lösen. Die Elektronen sind somit nur lose gebunden und werden deswegen als freie Elektronen betrachtet.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Beobachtung im Compton-Streuversuch.

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Antwort

Je nach Streuwinkel haben die gemessenen Photonen eine andere Energie. Diese Energie ist dabei geringer als die Energie vor der Streuung. Je größer der Streuwinkel, desto geringer die gemessene Energie. Mit der Energieabnahme durch den Stoß verschiebt sich auch die Wellenlänge der Photonen zu größeren Werten hin.

Frage anzeigen

Frage

Deute die Beobachtung im Compton-Versuch.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Compton-Effekt lässt sich durch den elastischen Stoß erklären: Beim Zusammenstoß wird ein Teil des Impulses vom Photon auf das Elektron übertragen, was in einer Wellenlängenvergrößerung des Photons resultiert.

Frage anzeigen

Frage

Wähle aus, welcher der folgenden Versuche bzw. Effekte den Wellencharakter von Licht belegt.

Antwort anzeigen

Antwort

Doppelspaltexperiment

Frage anzeigen

Frage

Wähle aus, welcher der folgenden Versuche bzw. Effekte den Teilchencharakter von Licht belegt.

Antwort anzeigen

Antwort

Photoeffekt

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Erhaltungsgrößen im Compton-Effekt.

Antwort anzeigen

Antwort

Im Compton-Effekt gilt die Impuls- und die Energieerhaltung.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die drei Schritte, über die Du die Wellenlängenverschiebung herleiten kannst.

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Energieerhaltung
  2. Impulserhaltung
  3. Kosinussatz
Frage anzeigen

Frage

Vergleiche kurz den Compton-Effekt mit dem Photoeffekt.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Compton-Effekt beschreibt die Elastische Streuung von Röntgenstrahlung an Graphit. Der Photoeffekt ist das Herauslösen von Elektronen aus einer Metallplatte bei Bestrahlung. Beide sind ein Nachweis für den Teilchencharakter von Licht.


Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Bedeutung des Compton-Effekts für Elektronen.

Antwort anzeigen

Antwort

Das Ergebnis des Compton-Effekts kannst Du auch umgekehrt deuten: Dem Elektron (Teilchen) kann über die de Broglie Beziehung eine Wellenlänge und infolgedessen Welleneigenschaften zugewiesen werden.

Frage anzeigen

Frage

Was verstehst Du unter der Korpuskeltheorie?

Antwort anzeigen

Antwort

Die von Newton postulierte Korpuskeltheorie besagt, dass Licht aus kleinen Teilchen, sogenannten Korpuskeln besteht. Diese breiten sich wie Strahlen geradlinig im Raum aus.

Frage anzeigen

Frage

Welche Alternative Theorie zur Korpuskeltheorie gab es im 18. und 19. Jahrhundert?

Antwort anzeigen

Antwort

Die von Christian Huygens vorgeschlagene Theorie besagte, dass Licht eine Welle ist.

Frage anzeigen

Frage

Was ist Interferenz?

Antwort anzeigen

Antwort

Interferenz ist die Überlagerung von Wellen, wodurch sich deren Amplituden verstärken (konstruktive Interferenz) oder abschwächen/auslöschen (destruktive Interferenz).

Frage anzeigen

Frage

Welche Experimente waren entscheidend für das Verständnis des Welle Teilchen Dualismus?

Antwort anzeigen

Antwort

Photoeffekt

Frage anzeigen

Frage

Was besagt die Lichtquantenhypothese?

Antwort anzeigen

Antwort

Licht besteht nach der Lichtquantenhypothese aus diskreten Einheiten elektromagnetischer Strahlung, deren Energie ein Vielfaches des planckschen Wirkungsquantums ist.

Frage anzeigen

Frage

Welches Ergebnis erhältst Du beim Doppelspaltexperiment mit einzelnen Photonen?

Antwort anzeigen

Antwort

Interferenzmuster von Wellen

Frage anzeigen

Frage

Was ist der Welle Teilchen Dualismus?

Antwort anzeigen

Antwort

Unter dem Welle Teilchen Dualismus verstehst Du das Phänomen, dass Quantenobjekte sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzen.

Frage anzeigen

Frage

Wie lautet die Hypothese von de Broglie?

Antwort anzeigen

Antwort

Nach de Broglie besitzen alle Materieteilchen auch einen Wellencharakter.  

Frage anzeigen

Frage

Warum merkst Du im Alltag nichts von dem Welle Teilchen Dualismus?

Antwort anzeigen

Antwort

Dies liegt daran, dass die Wellenlänge mit zunehmender Masse kleiner wird. Bei Alltagsobjekten ist sie vernachlässigbar klein.

Frage anzeigen

Frage

Was besagt die bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation?

Antwort anzeigen

Antwort

Nach der bornschen Wahrscheinlichkeitsinterpretation kannst Du für jeden Ort im Raum eine Wahrscheinlichkeit angeben mit der sich dort das Quant befindet.

Frage anzeigen

Frage

Was besagt die Heisenbergsche Unschärferelation?


Antwort anzeigen

Antwort

Nach der Heisenbergschen Unschärferelation kannst Du niemals gleichzeitig Ort und Impuls eines Quants beliebig exakt bestimmen.

Frage anzeigen

Frage

Was passiert beim Photoeffekt?

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Antwort

Beim Photoeffekt werden Elektronen durch Bestrahlung mit Licht aus einer Metallplatte gelöst. Die kinetische Energie der Elektronen ist abhängig von der Lichtfrequenz.

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